Trends bei Elektronik-Systemen für Militär und Aerospace

Militärische und luftfahrttechnische Elektronik steht unter hohem Integrationsdruck: Sensoren erzeugen mehr Daten, KI und elektronische Kampfführung verlangen zusätzliche Rechenleistung, gleichzeitig bleiben Bauraum, Gewicht, Energieaufnahme und Kühlung eng begrenzt. Entscheidend wird zunehmend die Architektur des Gesamtsystems – von Rechenmodulen und Datenverbindungen bis zu Stromversorgung, Kühlung und Cybersecurity.

Wie verändern offene Standards die Systemarchitektur?

MOSA, SOSA und OpenVPX prägen militärische Embedded-Systeme immer stärker. Plattformen wie Radar-, EW (Electronic Warfare)- oder ISR-Systeme (Intelligence, Surveillance, Reconnaissance) sollen neue Prozessoren, FPGAs, Netzwerkmodule oder Sensorinterfaces aufnehmen können, ohne dass das komplette System neu entwickelt werden muss. MOSA verfolgt dafür einen modularen Ansatz mit definierten Schnittstellen, SOSA konkretisiert diesen über Hardware- und Softwareprofile.

Parallel erweitert sich die Standardlandschaft. VNX+ beziehungsweise VITA 90 adressiert besonders kompakte Anwendungen wie unbemannte Systeme, Pods oder CubeSats. Am oberen Ende steht VITA 100 für Rechenplattformen, bei denen OpenVPX an Grenzen bei Anschlussdichte, Datenrate und Leistungsaufnahme stößt. Vorgesehen sind Datenpfade in Richtung 400-Gigabit-Ethernet und PCIe Gen 6 sowie Leistungsbudgets von mehr als 500 W pro Karte. So entsteht eine abgestufte Rechnerlandschaft aus VNX+, OpenVPX und VITA 100.

Warum wandert KI direkt an den Sensor?

KI wird zunehmend dort eingesetzt, wo Daten entstehen. Bei ISR, Zielerkennung, elektronischer Aufklärung oder autonomen Funktionen ist eine Verarbeitung in entfernten Rechenzentren häufig zu langsam oder wegen gestörter Kommunikation nicht zuverlässig verfügbar. Rugged Computing entwickelt sich deshalb in Richtung leistungsfähiger Edge-Systeme mit GPUs, NPUs, FPGAs und spezialisierten Beschleunigern. Dabei wird auch COTS-Technik aus Automotive und Rechenzentren „ruggedisiert“ und für militärische Umweltbedingungen qualifiziert.

Der Einfluss von Halbleitertechnik auf Verteidigungssysteme

Halbleitertechnik ist eine zentrale Grundlage heutiger Verteidigungssysteme. Sie ermöglicht sichere Kommunikation, präzise Steuerung, datenbasierte Aufklärung und die Integration neuer Technologien wie KI und Edge-Computing.

Max Bucklin

Noch wichtiger ist die Entwicklung bei zeitkritischen Anwendungen. SoC-FPGAs führen programmierbare Logik, AI Engines, DSP-Blöcke und Arm-Kerne zusammen. Bei RFSoCs kommen schnelle ADCs und DACs direkt auf dem Chip hinzu. Externe Wandler und mehrere Board-Übergänge entfallen, die Verarbeitung rückt näher an den Sensor. Dadurch lassen sich Reaktionszeiten deutlich verkürzen – ein zentraler Vorteil für Raketenabwehr, Radar, ISR und elektronische Kampfführung.

Die Rolle heterogener Rechnerarchitekturen

CPU, GPU und FPGA werden immer häufiger kombiniert. FPGAs übernehmen deterministische und parallele Signalverarbeitung, GPUs KI- und Matrixoperationen, CPUs Steuerung und Missionssoftware. Aktuelle VPX-Module verbinden deshalb Arm-Kerne, FPGA-Fabric, DMA-Engines, PCIe und optische Schnittstellen auf einer Karte. Bei einigen 3U-Systemen liegt die aggregierte optische Bandbreite bereits bei mehreren hundert Gigabit pro Sekunde.

Damit wächst die Bedeutung von 100-Gigabit-Ethernet, PCIe Gen 4 und Gen 5 sowie Glasfaser. Gerade Radar, SIGINT (Signals Intelligence, deutsch: Fernmelde- und Elektronische Aufklärung) und EW erzeugen enorme Rohdatenmengen. Der Engpass verlagert sich deshalb vom einzelnen schnellen Link auf die Ende-zu-Ende-Architektur: Sensorinterfaces, Speicher, Switches und Prozessoren müssen die Datenrate gemeinsam bewältigen.

Weshalb werden Kühlung und Stromversorgung zum Architekturthema?

Mit der Rechenleistung steigt die Verlustleistung. GPUs, FPGAs, RFSoCs und schnelle Netzwerkbausteine konzentrieren hohe Wärmelasten auf kleinen Flächen. In abgedichteten Gehäusen, Flugkörpern oder unbemannten Plattformen steht zugleich wenig Luftstrom zur Verfügung. Thermisches Design wird damit zum limitierenden Faktor für Edge-AI und High-Performance Embedded Computing.

Keysight beteiligt sich am Airbus-UpNext-SpaceRAN-Projekt

Keysight bietet Emulationslösungen zum Unterstützen von Bodentests der 5G-Fähigkeiten nicht-terrestrischer Netzwerke, die künftig an Bord eines Airbus-Satelliten in einer erdnahen Umlaufbahn unter Beweis gestellt werden sollen.

Parallel wächst der Leistungsbedarf von Radar, elektronischer Kampfführung, gerichteten Energiesystemen und Missionsrechnern. Höhere Leistungsdichte, Effizienz und thermische Performance sind zentrale Anforderungen an die nächste Generation militärischer Stromversorgungen. Wide-Bandgap-Halbleiter wie GaN und SiC helfen, Schaltverluste zu senken und kompaktere Wandler aufzubauen. Die höhere Leistungsdichte verschärft jedoch die Anforderungen an Wärmeabfuhr und Packaging. Bei Phased Arrays und anderen Hochleistungssystemen werden aufwendige Kühlkonzepte deshalb zunehmend Teil der Grundarchitektur.

Cybersecurity verändert die Avionik

Mit offenen Schnittstellen, softwaredefinierten Funktionen und häufigeren Updates wächst die Bedeutung der Systemabsicherung. Zero Trust in militärischer Avionik ist dabei ein Ansatz über strikt definierte Partitionen und Kommunikationspfade. Separation Kernels können Anwendungen und Datenbereiche isolieren, Informationsflüsse kontrollieren und Fehler auf einzelne Partitionen begrenzen.

Das passt zur Entwicklung modularer Missionsrechner: Wenn Hardwarefunktionen austauschbarer werden und Software einen größeren Anteil der Systemfunktion übernimmt, müssen Vertrauen, Isolation und Updatefähigkeit ebenso systematisch ausgelegt werden wie Prozessor-, Netzwerk- oder I/O-Baugruppen.

Was verändert sich bei Weltraum-Elektronik?

Im Weltraum verschiebt sich das Verhältnis zwischen Strahlungshärtung, Rechenleistung, Kosten und Entwicklungszeit. Besonders proliferierte LEO-Konstellationen benötigen hohe Stückzahlen, kürzere Entwicklungszyklen und mehr Onboard-Processing. Deshalb gewinnen Mischarchitekturen aus strahlungsgehärteten, strahlungstoleranten und qualifizierten kommerziellen Komponenten an Bedeutung. Redundanz, Fehlererkennung und Wiederherstellung werden wichtiger, weil Zuverlässigkeit stärker über die Systemarchitektur abgesichert wird.

Auch hier steigt die Heterogenität. Mikrocontroller, FPGAs, GPUs und spezialisierte Beschleuniger werden abhängig vom Missionsprofil kombiniert. Chiplets und 3D-Packaging sollen zusätzliche Rechenleistung in begrenztem Volumen ermöglichen, bringen jedoch neue Herausforderungen bei Strahlungsfestigkeit, Leistungsversorgung und Wärmeabfuhr mit sich. Gleichzeitig erhöhen softwaredefinierte und rekonfigurierbare Plattformen die Möglichkeit, Funktionen und Signalverarbeitung nach dem Start weiterzuentwickeln.

Fazit

Daraus ergeben sich gemeinsame Entwicklungsrichtlinien: mehr Verarbeitung direkt an Sensor und Aktor, offenere Hardwareplattformen, schnellere und zunehmend optische Datenpfade sowie eine engere Verzahnung von Computing, Kommunikation, Stromversorgung, Kühlung und Security. Für Systementwickler wächst damit die Bedeutung einer Architektur, die technologische Updates über lange Plattformlebenszyklen ermöglicht.